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关键词： 电路板检测   图像配准   CSS角点   图像融合   NSCT  

摘要： 电路板检测在现代电子产业中至关重要,随着电子产品的广泛应用和更新换代,检测技术需适应产业发展,以提供高效可靠的支持。光学检测和红外热成像检测是现代电路板检测技术中的两个典型代表。前者能够提供高分辨率的可见光图像,用于精确检测电路板表观缺陷;而后者则能够提供反映电路板热量分布的红外图像,从而有效识别电路板温度敏感型异常。为了综合应用两种检测技术,为电路板制造过程提供更加可靠的质量控制和故障诊断手段,需要解决电路板红外与可见光图像的配准与融合的难题。针对这两个问题,本文开展了以下的研究工作: 首先,考虑到红外与可见光图像之间存在较大的灰度差异,本文采用了一种基于CSS(曲率尺度空间)角点和SIFT(尺度不变特征转换)特征的图像配准方法,用于解决电路板红外与可见光图像的配准问题。在现有的相关研究工作基础上,本文对配准方法中的特征点提取与匹配两个步骤进行了改进。其一,在特征点提取的步骤中引入了边缘细化处理,使得边缘图像存在毛刺点和边缘宽度不一致等情况得到明显改善,从而提高轮廓曲率计算准确性,提高了检测到的CSS角点的质量;其二,提出了一种由粗到精的两阶段特征点匹配方法,该方法在衡量特征点匹配误差时能够有效兼顾匹配点对的像素距离以及主方向角度差异,并通过亚像素级的迭代优化以获取准确、一致的匹配结果。实验表明,上述两点改进提高了基于CSSSIFT特征点的图像配准精度。 其次,为实现电路板红外与可见光图像的融合,本文采用了一种基于NSCT(非下采样轮廓波变换)的融合方法。该方法利用NSCT对红外与可见光源图像进行多尺度、多方向分解,然后选取合适的融合策略对NSCT域子带图像进行融合。其中对于低频子带图像的融合,提出了一种基于两尺度分解和显著性检测的融合策略;对于高频子带图像的融合,提出了一种基于局部能量检测的融合策略。为验证融合策略的有效性,设计了5种融合策略组合作为参照的对比实验,并采用13种客观评价指标来表征融合质量,其结果表明所提出策略的融合效果更佳。 最后,本文探讨了电路板检测原型系统的设计和实现。在硬件方面,主要介绍了硬件平台的搭建以及工业相机的选型;在软件方面,基于系统工作流程对电路板检测软件进行了功能模块划分,并设计了一款集成了图像配准与融合功能的应用程序,用于展示研究算法的实际应用效果。

关键词： 25Hz轨道电路   GD32   微电子接收器   实时监测  

摘要： 广泛采用的25Hz相敏轨道电路接收设备分为机械式二元二位继电器以及微电子相敏接收器。其中，机械式二元二位继电器存在接点易卡阻、抗电气化干扰能力不强、返还系数低等问题；微电子接收器存在采用单CPU架构、信号升压采集、单一信号驱动轨道继电器以及无法实时监测等安全性、可靠性和可维护性不高等问题。介绍一种安全型25 Hz相敏轨道电路电子接收器，采用GD32F470作为主控芯片，实现轨道区段状态判断，并具备实时监测功能，安全等级达到SIL4级，彻底解决上述两种设备的不足，进一步提高了电子接收器的安全性、可靠性、可用性及可维护性。

关键词： 模拟前端   可编程增益仪表放大器   逐次逼近型模数转换器   低压差线性稳压器  

摘要： 随着微机电系统的发展,万物互联走进了千家万户,传感器作为在非电物理域和电压域之间的桥梁,在许多应用中不可或缺。压阻式压力传感器可以将物理信号转换为电压信号,输出毫伏量级的电压。直接采集较低幅值的电压在转换时会带来较大的误差,因此模拟前端(AFE)电路对微弱的电压信息的采集、放大和转换尤为重要,这直接决定了后级电路处理信号的最高精度以及准确性。 基于上述需求,本文基于0.18μm CMOS工艺设计了一款应用于压阻式压力传感器的模拟前端电路。整体结构包括可编程增益仪表放大器(PGIA)、低压差线性稳压器(LDO)和逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。论文首先对压阻传感器的工作原理进行了分析,提出设计的模拟前端电路,然后依次介绍仪表放大器、LDO和SAR ADC的基本原理与性能参数。为了实现信号的高精度放大,创新设计了一种双模式架构全差分PGIA,实现电压域信号低倍数和高倍数的准确放大,采用分段式电流舵通过电压叠加和电流叠加的方式在两种模式下消除从传感器引入的直流失调。为了减小面积,便于集成,采用无片外电容的LDO电路给系统内部模块供电。在LDO中,使用了动态偏置技术和电流负反馈型电压驱动电路来提高LDO的瞬态响应性能。对于后级的10位SAR ADC,使用了差分结构和电容分裂技术来抑制共模噪声,缩短采样和转换时间,加速逐次逼近比较的过程。 本文在Cadence平台完成整体电路设计与验证。仿真结果表明,在典型工艺条件下,PGIA在1k Hz频率处的共模抑制比和电源抑制比的值分别为107.52d B和104.03d B。在1～2048的放大倍数范围内,增益误差最大不超过0.04%。失调补偿范围达到500m V。在放大倍数为256,1～100k Hz带宽内的等效输入积分噪声为5.45μV。LDO的平均输出电压为3V,线性调整率为0.023%/V,负载调整率为0.06%/m A。在负载电流全范围变化时,过冲和欠冲电压分别为60.57m V和43.92m V。10位SAR ADC的有效位数为9.9bits。在整体模拟前端电路中,输入频率为97.65625k Hz的正弦信号,采样频率为5MHz,整个模拟前端电路的有效位数为9.17bits,信噪失真比为56.97d B,无杂散动态范围为66.77d Bc,整体电路工作时的平均电流约为596μA。最后完成版图的绘制与后仿,整个芯片面积为1032μm*642μm。

关键词： 集成电路   产业政策   重庆市  

摘要： 在当前阶段,集成电路已经成为促进信息化技术和与之相关联的数字经济产业发展的一个核心部分,在很多国家和地区的经济体系中占有着举足轻重的地位。毫无疑问,集成电路产业将会在地方经济发展中产生巨大的影响,同时,该行业自身的市场需求也很大。在汽车、电子等产业需求提升以及政策带动下,我国集成电路产业近年来发展迅速,其中重庆市也不例外。新一代信息技术的核心是集成电路,重庆市集成电路产业的发展规划对指导行业发展、优化行业分布、提高重庆市竞争力具有重要意义。因此,如何加快集成电路的发展,不仅关系到重庆市产业的整体发展,更关系到这个以发展战略新型产业为目标的城市的未来发展方向。 重庆市的集成电路产业在长期的发展中,已有七十余家集成电路企业被引入和培养,并规划了一大批的产业发展平台,如西永微电子产业园、水土半导体产业园等,其产业逐渐健全,产业短板也在不断被补齐,已初步形成了一条完整的集成电路产业链。重庆是我国集成电路产业发展最迅速的城市之一,在应用场景、市场供应等领域具有显著的优势,重庆市已经具备了适应成渝双城经济圈发展战略、在细分领域领先突破、在行业发展模式中可复制可推广的战略能力。故本文以重庆市为例,在了解集成电路相关概念及理论的基础上,总结归纳国外政府发布的关于集成电路产业的扶持政策,然后从投融资支持、资金补助、人才支持、平台建设及市场支持等方面分析新时期背景下重庆市集成电路产业的政策情况,发现重庆市相关政策中存在着支持强度不足、投融资力度有限、人才政策缺乏针对性等方面的问题。分析其原因,主要与地方财政资金支持、园区建设和科技创新等因素有关,为了有效促进重庆市集成电路产业的发展,相关部门需要对重庆市关于集成电路产业发展的投融资及平台建设加强支持力度,完善人才队伍建设和园区建设的政策,大力支持科技创新,才能有效促进重庆市集成电路产业的发展,从而通过提高集成电路产业的综合竞争能力,促进重庆市经济和社会的长远发展。

关键词： 超表面   RCS赋形   Fabry-Perot谐振腔天线   双向辐射   多波束  

摘要： 超表面作为二维形式的超材料,凭借其在电磁波调控上的卓越能力和低剖面结构的优势,在电磁成像、隐身和通信等多个技术领域扮演着关键角色。随着这些技术的快速发展,对可实现多维度独立调控超表面的需求日益迫切,尤其是能够实现对辐射电磁波幅度和相位独立调控的超表面,具有广泛的应用前景和发展空间。目前幅相调控超表面的研究大多数集中于反射型超表面幅度和相位的独立调控,对于透射型超表面中幅度以及相位独立调控的研究较少。 本文通过场-路转换的思想,基于表面-电路-表面架构对超表面电磁波幅相调控进行研究。首先设计了一款基于表面-电路架构的反射型超表面用于实现反射幅度和相位的独立调控,并通过优化算法设计反射单元相位分布,实现了具有改变散射波空间分布特性功能的RCS赋形超表面。其次,在反射型超表面的基础上设计出表面-电路-表面架构的透射型超表面,实现了对电磁波透射幅度、透射相位以及反射相位的独立调控,并应用于Fabry-Perot谐振腔天线对辐射波相位进行补偿,提升Fabry-Perot谐振腔天线的增益,验证了其幅相独立调控的效果。最后利用表面-电路-表面架构的透射型超表面和结合Fabry-Perot谐振腔原理,设计了一款双向辐射多波束天线,显著降低了双向辐射多波束天线的整体剖面。本文主要工作和创新点如下: 1)基于表面-电路架构设计了一款用于RCS赋形的超表面。首先设计具有低耦合性能的表面-电路型单元,单元在实现360°相位覆盖的同时保证了相邻单元间的低耦合性,并通过在单元加入地缝的方式进一步降低相邻单元间耦合,实现了可以用于任意相位分布的超表面单元。同时,通过研究电磁波入射超表面的传播过程和电磁场的空间分布,设计出相应的遗传优化算法,从而得出所需RCS分布的特定相位,并设计对应相位的单元排布,最终实现了将目标RCS集中在0°以及±49°方向上的超表面。通过设计不同相位分布,该超表面实现了RCS赋形的功能,这一功能具有通过欺骗性干扰实现影响雷达探测性能的应用潜力。 2)基于表面-电路-表面架构的(SCSMS)超表面单元设计了一款实现辐射波相位补偿的Fabry-Perot谐振腔天线。首先设计可以实现幅度以及散射反射相位独立调控的超表面单元,并以该超表面单元作为天线的部分反射层设计实现了一个Fabry-Perot谐振腔天线。再通过对超表面单元相位的设计,将原有的Fabry-Perot谐振腔天线辐射波进行相位补偿,进一步提高了Fabry-Perot谐振腔天线的增益。最终相位补偿后天线的增益达到了17.84 dBi,与相位补偿前的Fabry-Perot谐振腔天线相比,整体天线增益提高了2.12 dBi。 3)基于上述FP谐振腔天线理论设计了一款实现双向辐射的低剖面多波束天线,将散射与反射相位独立调控的超表面单元加载到上述Fabry-Perot谐振腔天线的馈源天线层上,实现了一个整体剖面在0.814l(23.72 mm)的双向辐射天线,显著降低了双向辐射天线的整体剖面。在此基础上通过对部分反射层超表面以及加载到馈源天线上的超表面相位分别设计,在保证低剖面的同时,实现了透射双波束和反射双波束的四波束天线。分析结果表明,该天线工作在10.5GHz处,在-16°、19°、-163°、163°四个方向上分别产生了增益为5.98 dBi、6.84 dBi、6.57 dBi、5.68 dBi的四个波束。

关键词： DNA逻辑电路   DNA纳米组装   逻辑调控   细胞间组装   基因表达调控  

摘要： 核酸分子不仅编码生命中的遗传信息,而且具有可编程性、多功能性和生物相容性等优点,随着DNA/RNA纳米技术的发展,核酸分子已被设计制造成不同的纳米结构,并应用于不同的领域。其中,基于核酸的分子电路吸引了广泛的关注。不管是在体外还是在细胞层面,基于核酸的分子电路都已经取得了巨大的进展,它们在生物传感、药物递送、疾病诊断和治疗以及合成生物学领域都表现出巨大的应用前景。在本论文中,我们充分利用DNA分子的优势,将功能核酸结构和toehold介导的链置换反应结合,分别在细胞水平以及体外无细胞水平,构建了三个不同的可编程DNA分子逻辑电路,进一步挖掘了 DNA分子逻辑电路在生物传感、控制细胞行为以及调控基因表达三个领域的应用潜力。本文的研究内容包括以下三个部分: (1)适配体控制的多发夹级联电路用于胞外免标记生物成像。催化发夹环组装(CHA)作为DNA检测常用的信号放大方法,以及构建DNA级联电路的常用策略,存在严重的非特异性背景和信号泄露问题,限制了其进一步的应用。本章工作通过构建一个适配体制动的多发夹环级联电路,开发了一种可以有效提高CHA信噪比、降低背景泄露的通用方法。该部分工作根据靶标DNA序列,对ATP适配体变体进行筛选,并将筛选得到的ATP适配体作为制动器整合到CHA体系的第一个发夹环中,使得ATP分子成为CHA反应的条件之一,显著降低了该反应的背景信号。考虑到肿瘤组织中微酸性的环境,该工作还通过将双分子i-motif四链体作为一个开关单元引入CHA体系的最后一个发夹环中,可诱导CHA反应产物在酸性条件下发生二聚,赋予了该体系响应H+的能力。在此基础上,成功构建出三输入的AND逻辑门,在ATP、靶标DNA和H+存在的条件下,二聚产物通过与小分子硫黄素T(ThT)结合,产生荧光输出。该部分工作进一步将其应用在细胞层面,在细胞膜上实现了上述三输入AND门的构建,进而实现无标记原位生物成像。 (2)多信号响应的DNA逻辑电路用于细胞间组装的调控。目前基于DNA实现细胞间组装的常用策略是基于刚性DNA纳米结构,通过DNA杂交或识别受体的方式进行组装,该方式缺乏对生物信号的响应,尽管已有响应ATP和H+组装细胞的报道,但该方式只能响应一种生物信号,调控方式单一。在本章工作中,构建了一个多信号响应、自下而上组装的DNA逻辑电路,可响应复杂生物环境中的多种信号,实现对细胞组装的复杂调控。该部分工作设计了两个可以响应ATP分子和不同的靶标DNA的CHA反应体系,通过将17bp互补的DNA双链分别包埋在最后一个发夹环中,使得在三种信号共存的条件下,两个CHA体系的反应产物可以组装,从而构建了一个三输入的AND门。该部分工作还证明了上述CHA体系反应和组装在细胞膜上的可行性,并进一步通过将两个CHA体系分别修饰于两个细胞群,将其应用于细胞间组装,构建了一个三输入的逻辑电路,实现响应多种信号的细胞间组装的复杂逻辑调控。 (3)基于环状单链DNA的体外基因表达的逻辑调控。目前在体外,基因表达的载体主要依赖于环状或线性的双链DNA分子(质粒/PCR片段),而对于双链DNA的调控方式有限,使得难以构建更复杂的遗传回路。受启发于环状单链DNA可以在哺乳动物细胞中表达,本章工作设计了一个包含T7启动子序列和蛋白质编码序列的环状单链DNA(CssDNA),得到其对应的正义链和反义链,发现该CssDNA可以作为新的基因表达载体在基于酵母细胞提取物的体外蛋白表达试剂盒中有效的表达蛋白。该部分工作通过添加与基因表达相关的成分如dNTPs、酶抑制剂以及改变其二级结构,来实现对正义链和反义链的表达调控。此外,进一步向体系中添加酶抑制剂以及T7互补链模拟表达过程的不同阶段,通过对比正义链和反义链的表达差异,鉴定它们各自不同的表达途径。该部分工作还表明,通过与toehold介导的链置换结合,可基于CssDNA构建多种逻辑门,包括OR、NOR、INHIBIT等,实现对CssDNA基因表达的逻辑调控。

关键词： 电弧放电   本质安全   函数型数据   放电模型  

摘要： 在煤炭、石油等能源行业中,工作人员常常置身于爆炸性气体环境中。防止系统电路的电弧放电引发可燃气体爆炸,确保人员的安全已经成为当前行业关注的重点。然而,电弧放电的过程极为复杂,使得电弧放电的预测和控制变得异常困难。为了实现对危险环境中电路本质安全性能的准确判断,需运用多元统计分析等前沿技术与数学手段,将电弧放电过程中复杂的物理化学反应过程进行简化,并转化为相应的数学模型,便可精确地分析和评估电路的安全性。 电阻电路独立模型以及电阻电路本安判据描述的缺失,增加了实际工况中爆炸的不确定性。对此本文考虑电路放电过程及特征,通过电阻电路火花放电试验获取样本数据,采用函数型数据分析回归算法建立了电阻电路电弧放电电压、电流与功率数学模型。并将试验数据分类,发现在特定电路参数条件下,当电路正常工作电流I≤0.15 A或I≥0.6 A时,电弧放电基本呈现典型放电形式。所建立模型使得电阻性本质安全电路电弧放电三种波形类型得以被准确描述。 其次,针对物理模型无法直接探究模型解析解等问题,从函数层面,通过泰勒级数展开方法对比常见电感电路物理模型的参数关系及模型适用范围,计算得知三种物理模型近似统一的电阻值与电弧电流值分别为390Ω和194m A;并通过迭代的方法求得动态变化的静态伏安特性模型,初步得到静态伏安特性模型解析解。在数据层面,采用函数型数据分析回归算法建立简单电感电路电弧放电电压与电流模型,进行电感电路火花放电试验,进一步得到了较统一物理模型更详细精确的解析解数学模型。 最后,基于上述数学模型建立了电阻电路的本质安全能量判据。搭建MATLAB仿真平台,验证得出所提出的数学模型能够成功表征至少70%～80%的实际数据,涵盖了电弧电压、电流及功率等多个关键参数,证明了函数型数据回归模型在处理电弧模型相关问题时的可行性、有效性与准确性,扩大了模型适用范围,提高了放电影响因素相关性,为本安电路的优化设计奠定基础。